2.1 陶瓷基板產業鏈分布
陶瓷基板產業鏈上游主要為陶瓷粉體制備企業,中游為陶瓷裸片及陶瓷基板生產企業,下游則涵蓋汽車、衛星、光伏、軍事等多個應用領域。縱觀陶瓷基板產業鏈,鮮有企業能夠打通垂直產業鏈,形成粉體、裸片、基板的一體化優勢。
2.2 產業鏈上游:陶瓷粉體
陶瓷粉體是影響陶瓷基板物理、力學性能的關鍵因素。粉體的純度、粒度、物相、氧含量等會對陶瓷基板的熱導率、力學性能產生重要影響,其特性也決定了基板成型工藝、燒結工藝的選擇。
目前常用的陶瓷基板粉體包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鈹(BeO)等。其中BeO粉體因具有具毒性逐步退出歷史舞臺。
陶瓷粉體占陶瓷基板成本的10%-15%。Al2O3粉體因其價格(不超過20元/公斤)低廉目前應用最為廣泛。產業方面多用Al2O3為基體,與氧化鋯(ZrO2)混合成增韌材料(ZTA),改善其抗沖擊能力和膨脹性。
AlN粉體其較高的成本(國產300-400元/公斤,進口1,500元/公斤)限制了其大范圍應用。而Si3N4粉體制備難度最大,且價格也最高,當前應用僅限于SiC功率器件的封裝中。
2.3 產業鏈中游:陶瓷裸片/基板
陶瓷裸片:目前制備陶瓷裸片產業化應用最為成熟的是流延成型法。
流延成型法的關鍵環節為流延、排膠和燒結。流延是指將由陶瓷粉體、溶劑、分散劑、粘結劑等混合成的漿料,在特定溫度、漿料高度和流延速度下,制得成卷生瓷片薄膜的過程。隨后,影響陶瓷片性能的溶劑、粘結劑等雜質在排膠爐中受熱揮發,去除雜質后的生瓷片再經高溫(通常為1750-1850℃)燒結和后續處理最終得到陶瓷裸片。
陶瓷基板:是將陶瓷裸片金屬化的結果,目前主流的金屬化工藝包含DPC、DBC、AMB及HTCC/LTCC。
直接鍍銅陶瓷基板(DPC)制備前端采用了半導體微加工技術(濺射鍍膜、光刻、顯影等),后端采用印刷電路板(PCB)制備技術,因此基板上金屬線更加精細,非常適合對準精度要求較高的微電子器件封裝。同時DPC基板實現了陶瓷基板上/下垂直互聯,可實現電子器件三維封裝與集成,降低器件體積。目前DPC陶瓷基板主要應用于大功率LED封裝。
直接覆銅鍵合陶瓷基板(DBC)是指在陶瓷表面鍵合銅箔的一種金屬化方法,形成類似于Cu-O-Al2O3三明治結構。由于陶瓷和銅具有良好的導熱性、導電性,且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強度高,因此DBC基板具有較高的熱穩定性,已廣泛應用于IGBT、激光器(LD)和聚焦光伏等器件封裝散熱中。
活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)是DBC工藝技術的進一步發展,利用含少量活性元素的活性金屬焊料(Ti、Zr、Hf或Ta等稀土元素)實現銅箔與陶瓷基片間的焊接。由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現焊接。
從基片材料來看,AIN-AMB陶瓷基板主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導體中;Si3N4-AMB主要應用在電動汽車和混合動力車的功率半導體中。由于該種材料熱導率高、載流能力強,膨脹系數與硅芯片接近,在高功率IGBT,尤其是碳化硅功率器件中,AMB方案已對DBC形成替代。
高/低溫共燒多層陶瓷基板(HTCC/LTCC)。HTCC具有高機械強度、高熱導率、物化性能穩定、材料成本低等特點,適合大功率及高溫環境下器件封裝。相較HTCC,LTCC基板導電率高,具有較小的介電常數、較小的熱膨脹系數、優良的高頻性能,可適應高溫、高濕及大電流應用要求,目前主要在軍工及航天電子器件中得到廣泛應用。
2.4 產業鏈下游:市場應用
陶瓷基板在下游領域如光纖通信、電子電器、新能源汽車、機械工程、航空航天、軍事設備等方面得到了廣泛的應用,市場需求旺盛。例如,IGBT功率模塊的需求增長帶動了對于DBC陶瓷基板的需求,尤其是第三代半導體的加速上車,將推動AMB陶瓷基板的需求高漲。此外,陶瓷基板在高功率激光器(LD)、發光二極管(LED)、半導體制冷片(TEC)、高溫電子器件(HTE)和光伏模組(PV)中均占據重要位置。
審核編輯:黃飛
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原文標題:陶瓷基板產業鏈研究
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